LE TRANSISTOR MOS

LE TRANSISTOR MOS
Introduction
Description structurelle
Description comportementale
Quelques développements Analytiques
Exemples d'utilisation
1
INTRODUCTION
Avant
Transistor à effet de champ:
- Connu bien avant le bipolaire
Technologie difficile à maîtriser
- VT
Réponse en fréquence loin d'atteindre les performances actuelles
- très dépendante des dimensions géométriques
- du processus de fabrication
Actuellement
Technologie MOS mieux maîtrisée
Technologie MOS supplante Bipolaire:
- Circuits logiques intégrés VLSI
- Certaines fonctions analogiques.
2
Avantages du MOS vis-à-vis du bipolaire
Structure très simple (plus de 109 transistors sur 1 puce)
Surface réduite
Coût technologique
Isolation naturelle
- Composants vis-à-vis des composants voisins,
- Pas de "caissons d'isolation!»
Limitation du nombre d'étapes de fabrication
Coût de conception
Coût d'exploitation
Structure très simple (BIS)
Consommation très faible
- En particulier pour les circuits CMOS
Très haute impédance d'entrée.
Divers
Possibilité de réaliser des fonctions complexes
- Moins de composants que les bipolaires
- Exemple : les mémoires dynamiques
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Description structurelle
MOS :Metal Oxide Semiconductor Grille Metal ou Polysilicium
GRILLE
GRILLE
SOURCE
DRAIN
SOURCE
POLYSILICIUM
METAL
OXYDE
n+
DRAIN
n+
OXYDE
n+
n+
SEMICONDUCTEUR
SEMICONDUCTEUR
p
p
SUBSTRAT
SUBSTRAT
4
Caractéristiques électriques
GRILLE
SOURCE
DRAIN
+ + + + + + + + + ++++
n+
--------------n+
MOS à Canal N
p
SUBSTRAT
Oxyde fin
Capacité ---> IG = 0
Dispositif symétrique
Diodes polarisées en inverse
Souvent, Source reliée au substrat
Champ VDS implique courant IDS
5
Principe de fonctionnement
VGS > V T
GRILLE
SOURCE
DRAIN
++++++++++++
n+
- - - - -Canal
---------n+
VDS > 0
p
SUBSTRAT
Principe
VGB > VT
- Accumulation de charge à l'interface SiO2
- Apparition d'un canal N
Champ électrique entre Drain et Source
- Déplacement d'électrons dans le Canal N
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- Courant IDS
Symbole électrique d'un transistor MOS à canal n
D
D
ID
ID
G
IG = 0
V DS
G
IG = 0
B
ID
ID
VGS
VGB
S
S
D
ID
G
Substrat non représenté si au même potentiel
que la source
IG = 0
B
Trois modes différents de fonctionnements
ID
VGS = VGB
Vision très épuré
S
7
Observation des caractéristiques
ID
ID
VGS > V T
MODE
LINEAIRE
MODE
BLOQUE
MODE
SATURE
V GS3
MODE
SATURE
MODE
LINEAIRE
VGS2
V GS1
VT
V T + V DS
VGS
VDS
V T + 1/2 . V DS
Caractéristiques de transfert
Caractéristiques de sortie
8
Le mode bloqué
D
VGS = VGB est inférieure à VT (-2V ..... 2V)
Pas d'apparition du canal.
G
MOS ne conduit aucun courant
(idem bipolaire)
ID = 0
ID = 0
IG = 0
VDS quelconque
VGS < VT
S
ID
ID
Caractéristiques de transfert
MODE
BLOQUE
MODE
SATURE
MODE
LINEAIRE
VGS3
MODE
SATURE
MODE
LINEAIRE
VGS2
Caractéristiques de sortie
VGS1
VGS < VT
VT
VT + VDS
VT + 1/2 . VDS
VGS
9
VDS
Le mode linéaire (ou mode de conduction)
D
VGS > VT & VDS < VDSsat = VGS - VT
Canal non uniforme entre source et drain.
ID
existe
IG = 0
VDS > 0
&
VDS < VGS - VT
G
Le transistor conduit
ID = ? (augmente avec la tension VDS)
VGS > VT
S
ID
ID
Caractéristiques de transfert
MODE
BLOQUE
MODE
SATURE
MODE
LINEAIRE
VGS3
MODE
SATURE
MODE
LINEAIRE
VGS2
Caractéristiques de sortie
VGS1
VGS < VT
VT
VT + VDS
VT + 1/2 . VDS
VGS
10
VDS
MOST en régime linéaire (linear mode)
VGS > VT
0V < VDS!< VDSsat = VGS - VT
G
VDS
b
ID = VDS ( VGS - VT )
2
D
S
n+
n+
b = m Cox W/L
K ou b = transconductance du MOST
en A/V2 ou µA/V2 ,
f(technologie, dimensions du MOS)
p
B
m = mobilité des porteurs
(- pour MOSTn et + pour MOSTp)
Pas de PINCH-OFF (pincement) du canal dans ce mode
11
Le mode saturé
D
VGS >VT & VDS >VDSsat = VGS - VT
Canal existe avec pincement côté drain
VDSsat varie avec VGS et vaut: VDSsat = VGS - VT
IDsat
IG = 0
G
V DS > VDSsat
&
VDSsat = VGS - VT
VGS > VT
Le transistor conduit
ID = ? (augmente avec la tension VDS)
S
ID
ID
Caractéristiques de transfert
MODE
BLOQUE
MODE
SATURE
MODE
LINEAIRE
VGS3
MODE
SATURE
MODE
LINEAIRE
VGS2
Caractéristiques de sortie
VGS1
VGS < VT
VT
VT + VDS
VT + 1/2 . VDS
VGS
12
VDS
MOST en régime saturé (saturation mode)
V
GS > V T
G
D
S
VDS > VDSsat
n+
n+
p
B
PINCH-OFF (Pincement) du canal côté droit
Le courant ne varie plus avec VDS
ˆ2
b ÊÁ
˜
ID = 2 ÁËVGS - VT˜¯
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Comparaison MOS & bipolaire
ID
MODE
BLOQUE
IC
MODE
SATURE
Caractéristique de transfert
MODE
LINEAIRE
ID
VBE
IC
VGS > VT
VGS3
VBE3
.
MODE Linéaire
MODE Saturé
Caractéristique de sortie
MODE
Saturé
Uj
VGS
MODE
Linéaire
VT + VDS
VT
VT + 1/2 . VDS
VGS2
VBE2
VGS1
VBE1
VDS
14 VCE
Résumé
Caractéristiques de sortie:
Mode linéaire vers mode saturé avec VDS croissantes
Caractéristique de transfert:
Mode saturé vers mode linéaire avec VGS croissantes
Mode saturé :
VDS > VDSsat
VDS > VGS - VT ou VGS< VDS + VT
Mode linéaire :
VDS < VDSsat
VDS < VGS - VT ou VGS > VDS + VT
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Caractéristiques électriques du p-MOS
S
Le mode BLOQUE :
V GS < 0
VGS >VT & ID = 0
Le mode LINEAIRE : VGS <VT & VDS >VDSsat
VDS < 0
G
ID = K.VDS (VGS - VT - 1/2 VDS)
IG = 0
ID
Le mode SATURE : VGS <VT et VDS <VDSsat
ID = K/2 (VGS - VT )2
D
D
Tension de seuil VT négative.
ID
G
La tension de saturation VDSsat est aussi négative:
IG = 0
B
VDSsat = VGS - VT
ID
V GB
S
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La technologie CMOS
Complementary Metal Oxide Semiconductor
n+
n+
p+
n-MOST
p
CAISSON (WELL)
p+
p-MOST
n
SUBSTRAT (BULK)
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EXERCICE 1
Inverseur logique nMOS
Calculer et tracer la caractéristique de transfert V2 = f(V1).
V2
droite V 2=V 1-V T
Vcc
R
I
Vcc
Vcc = 5 V
VT = 0,5 V
D
k = 50 µA/V2
v
V2
1
MOST n saturé
MOST n
bloqué
R = 10 k?
MOST n linéaire
V1
VT
Vcc
18
EXERCICE 2
Inverseur logique pMOS
Calculer et tracer la caractéristique de transfert V2 = f(V1).
V
Vcc
V
v
G
VD
ID
1
R
2
Vcc
Vcc = 5 V
VT = -0,5 V
MOST p linéaire
k = 50 µA/V2
MOST p
bloqué
R = 10 k?
V2
MOST p saturé
V
+V T
Vcc +VT
1
Vcc
19
EXERCICE 3
Inverseur logique CMOS
Calculer et tracer la caractéristique de transfert V2 = f(V1).
V cc
Vcc = 5 V
V
2
VTn = 1 V
VTp = -1 V
ID
V1
MOST n saturé
MOST p linéaire
K = 100 µA/V2
MOST n
bloqué
V2
MOST p
linéaire
MOST n saturé
MOST p saturé
MOST n
linéaire
MOST p
bloqué
MOST n linéaire
MOST p saturé
V CC
V CC
V
VTp
V1 = 0
V1 = VCC
V2 = VCC
VTn
Vcc
2
Vcc +VTp Vcc
V2 = 0
20
1